磁性材料中的自旋拓撲結(jié)構(gòu)

早在 20 世紀 40 年代, Kittel就提出, 因為晶體各向異和相鄰自旋磁矩的耦合作用, 磁性材料中可能存在不同的磁疇結(jié)構(gòu)。 當(dāng)晶體各向異量占主導(dǎo)地位時, 平凡的磁疇壁 (圖 1(a)) 會形成全通量閉合結(jié)構(gòu) (圖 1(b)), 而當(dāng)相鄰磁矩之間的耦合作用超過各向異時, 可能出現(xiàn)渦旋或反渦旋狀結(jié)構(gòu), 如圖 1(c) 和圖 1(d)。 Mermin將這類特殊疇結(jié)構(gòu)定義為拓撲缺陷, 即序參數(shù)停止連續(xù)變化且具有低維奇異性的區(qū)域。 一般來講, 鐵磁疇壁可歸類為二維平凡的拓撲缺陷, 而為復(fù)雜的通量閉合型、渦旋、反渦旋、中心疇、磁性斯格明子等結(jié)構(gòu)可歸類為準(zhǔn)一維非平凡的拓撲缺陷, 微結(jié)構(gòu)如圖 1(e)—(h) 所示。 磁性拓撲疇結(jié)構(gòu)的形成主要是由納米磁性材料的巨大退磁作用引起的, 這種退磁作用使磁矩旋度增大, 使靜磁能量降至較低。 這些納米尺度的旋轉(zhuǎn)自旋結(jié)構(gòu),特別是磁性斯格明子, 具有非平凡的真實空間拓撲結(jié)構(gòu), 形成緊湊和自組織的晶格形式, 滿足經(jīng)典的Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用規(guī)律, 在拓撲保護下激發(fā)、湮滅和可控制運動。 這些奇異的特性為未來的高密度、高速度、低能耗信息存儲器件的核心材料應(yīng)用提供了巨大的潛力。類似于磁性材料中未成對電子形成的凈自旋在居里溫度以下形成自發(fā)磁極化, 在居里溫度以下, 鐵電材料中晶體對稱性畸變誘導(dǎo)正、負離子相對偏移從而形成電偶極矩, 即自發(fā)鐵電極化。 局部有序的自發(fā)極化形成鐵電疇結(jié)構(gòu)。 當(dāng)鐵電材料體系被縮小到很小尺寸低維鐵電體時, 在表面退極化場、應(yīng)變和靜電能的競爭作用下, 自發(fā)鐵電極化可能形成非平凡的、平滑變化的極性拓撲疇結(jié)構(gòu)。近期, 研究人員已經(jīng)從理論預(yù)測和實驗觀察上證實了在彈、靜電能和梯度能相互作用下, 鐵電材料中可以形成尺度小的極性拓撲結(jié)構(gòu), 如通量閉合疇結(jié)構(gòu)、渦旋疇、泡泡疇和手性斯格明子等,且顯著影響材料的壓電、介電、非線性光學(xué)等特性。 本文將簡要討論鐵電材料中因尺寸限制而出現(xiàn)的極性拓撲結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)問題。